Mobile Kommunikationssysteme

INHALTSÜBERSICHT

Vorwort

Tabellenverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Einleitung

Hauptteil

1 Grundlagen
1.1 ISO/OSI-Referenzmodell
1.2 Signal
1.3 Antennen
1.4 Frequenz
1.5 Duplexverfahren
1.6 Mehrfachzugriff
1.6.1 Frequenzmehrfachzugriff
1.6.2 Zeitvielfachzugriff
1.6.3 Codevielfachzugriff
1.6.4 Orthogonal Frequency Division Multiplexing
1.6.5 Raumvielfachzugriff
1.7 Modulation
1.7.1 Amplitudenmodulation
1.7.2 Frequenzmodulation
1.7.3 Phasenmodulation
1.7.4 Minimum Shift Keying
1.8 Störeffekte

2 Mobile Kommunikationssysteme
2.1 Zellsysteme
2.1.1 Architektur
2.1.2 Handover
2.1.3 GSM
2.1.4 HSCSD
2.1.5 GPRS
2.1.6 EDGE
2.1.7 UMTS
2.1.8 Vergleich
2.2 Kabellose Systeme
2.2.1 DECT
2.3 Satellitensysteme
2.3.1 IRIDIUM
2.3.2 Globalstar
2.3.3 GPS

3 WLAN
3.1 IEEE 802.11
3.2 IEEE 802.11a
3.3 IEEE 802.11b
3.4 IEEE 802.11g
3.5 HIPERLAN TYPE 1
3.6 HIPERLAN TYPE 2
3.7 Vergleich

4 WPAN
4.1 IrDA
4.2 Bluetooth
4.3 HomeRF
4.4 Vergleich

5 Sicherheit

Schlusswort

VORWORT

Die Studienarbeit „Mobile Kommunikationssysteme“ hätte ursprünglich einen theoretischen Teil meiner Diplomarbeit „Umsetzbarkeit einer papierlosen Kommissionierung bei L’Oréal Haarkosmetik und Parfümerien GmbH & Co. KG“ abdecken sollen. Bis heute werden die Kommissionierbelege gedruckt und in der Diplomarbeit sollte geprüft werden, welche Vor- und Nachteile entstehen würden, wenn die Kommissionierbelege durch mobilen Stationen ersetzt werden würden. Den theoretischen Teil für die Auswahl der kabellosen Datenübertragungstechnik zu den Mobilstationen hätte diese Studienarbeit abdecken sollen. Ich wollte trotzdem das Studienarbeitsthema nicht ändern, weil es mich persönlich interessiert und sich kabellose Übertragungstechniken heute in der Praxis etabliert haben und diese sich in Zukunft mit größter Sicherheit noch weiter etablieren werden.

IV TABELLENVERZEICHNIS

Tabelle 1: Vergleich Zellsysteme

Tabelle 2: Vergleich WLAN

Tabelle 3: Vergleich WPAN

V ABBILDUNGSVERZEICHNIS

Abbildung 1: FDMA

Abbildung 2: TDMA

Abbildung 3: CDMA/FHSS

Abbildung 4: CDMA/DSSS

Abbildung 5: ASK

Abbildung 6: FSK

Abbildung 7: PSK

Abbildung 8: QPSK

Abbildung 9: QAM

Abbildung 10: MSK/GMSK

Abbildung 11: Verträglichkeitsmatrix

Abbildung 12: GSM-Netz

Abbildung 13: HSCDS-/GPRS-Netz

Abbildung 14: UMTS-Netz

Abbildung 15: OFDM Frequenzkanalplan Anhang

Abbildung 16: Atmosphärische Dämpfung Anhang

Abbildung 17: BPSK, QPSK, 16-QAM und 64-QAM Anhang

VI ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

VII EINLEITUNG

Netzwerke sind Hauptbestandteil der technischen Infrastruktur der modernen Informationsgesellschaft. Grundlage für den Erfolg der Netzwerke ist die Festlegung von Standards, die es erlauben, Computer und Netzwerke verschiedener Hersteller miteinander zu verbinden. Mobilität ist die neue Herausforderung für die Informationstechnik. Naturgemäß ist die klassische drahtgebundene Realisierung von Netzwerken da eher hinderlich. So wurden neue Standards für die kabellose Verbindung von Mobilstationen, Computern und Netzwerken festgelegt. Im Folgenden werden zuerst die Grundlagen, die für die kabellosen Übertragungstechniken nötig sind, erklärt. Danach folgen die Erklärungen zu den heute gängigen Standards, die nach den Grundlagen einfach zu verstehen sind.

VIII HAUPTTEIL

1 GRUNDLAGEN

Zum Verständnis von mobilen Kommunikationssystemen sind Kenntnisse über die relevanten Begriffe notwendig. Außerdem fällt das Verstehen der einzelnen Standards nach Abhandlung der Grundlagen viel leichter. Die elektromagnetischen Signale werden im Gegensatz zu Festnetzen im freien Raum übertragen. Das ISO/OSI-Referenzmodell bleibt jedoch bei jeder Kommunikationstechnik gleich.

1.1 ISO/OSI-REFERENZMODELL

Die internationale Organisation für Standardisierung (ISO) hat mit dem Open-System- Interconnect (OSI) Referenzmodell die Basis für eine Verbindung von Mobilstationen, Computern und Netzwerken von verschiedenen Herstellern geschaffen.

Hierbei werden die Aufgaben, die bei einer Datenübertragung zwischen zwei Systemen erledigt werden müssen, in sieben klar abgegrenzte Teilbereiche aufgeteilt. Die Bezeichnung Schicht ist für einen Teilbereich üblicher. Grundsätzlich gilt, dass jede Schicht den übergeordneten Schichten Dienste anbietet und von den untergeordneten Dienste annimmt.

Die Bitübertragungsschicht (Physical Layer) ermöglicht die Übertragung des binären Datenstroms über ein physikalisches Übertragungsmedium. Hierbei werden die mechanischen, elektrischen und funktionalen Eigenschaften für das verwendete Medium definiert. Bei drahtlosen Übertragungssystemen entspricht die Bitübertragungsschicht die der Luftschnittstelle.

Die Sicherungsschicht (Data Link Layer) gewährleistet eine sichere Übertragung der Daten. Sie wird der Einfachheit halber in zwei weitere Schichten unterteilt: Die Media Access Control (MAC) Schicht und die Logical Link Control (LLC) Schicht. Die auf der Bitübertragungsschicht aufsetzende MAC- Schicht übernimmt dabei die Kollissionserkennung und -vermeidung. Die LLC-Schicht bietet ihre Dienste der Vermittlungsschicht an und übernimmt die Fluss- und Fehlerkontrolle. Übertragungsfehler werden z. B. erkannt, indem der Sender die Eingangsdaten in Datenrahmen (Data Frames) aufteilt und systematisch Redundanzen hinzufügt, die auf der Empfängerseite zur Fehlererkennung genutzt werden.

Die Vermittlungsschicht (Network Layer) ist für die Festlegung des Weges der Datenpakete durch das Netz (Routing) verantwortlich. Hier erfolgt der Verbindungsaufbau und -abbau, sowie das Multiplexen von Verbindungen.

Die Transportschicht (Transport Layer) übermittelt die Daten zwischen zwei Endsystemen und ist somit die erste Schicht in der ein logischer Ende-zu-Ende Datentransfer abläuft. Sie stellt eine Schnittstelle für die oberen Schichten bereit, um Anwendungen unabhängig vom verwendeten Netztyp einer bestimmten Dienstgüte QoS (Quality of Service) garantieren zu können.

Die Sitzungsschicht (Session Layer) steuert die Zusammenarbeit zwischen den verschiedenen miteinander kommunizierenden Endeinrichtungen. Diesen Endeinrichtungen werden Dienste bereitgestellt, mit denen sie ihre Dialoge organisieren und synchronisieren können. Zu ihren Aufgaben gehören ebenfalls z.B. Engeräteerkennung, Festlegung der Form des Datenaustausches und Gebührenverrechnung.

Die Darstellungsschicht (Presentation Layer) transformiert die übermittelten Daten in ein vereinbartes und allen Kommunikationspartnern bekanntes Standardformat. Darüber hinaus bietet diese Schicht Dienste wie Datenkompression und Verschlüsselung zur Erhöhung der Vertraulichkeit und Authentizität.

Die Anwendungsschicht (Application Layer) stellt grundlegende Dienste den Anwendungsprogrammen zur Verfügung. Sie bildet die Schnittstelle zu den Applikationen.¹

1.2 SIGNAL

Ziel jeder Kommunikation ist es, Daten vom Sender zum Empfänger zu übermitteln. Dies geschieht durch die Übertragung von Signalen. Es gibt zum einen analoge Signale (ständiges Verändern von elektronischen oder elektromagnetischen Wellen) und zum anderen digitale (Übertragen oder nicht Übertragen von Stromimpulsen).²

1.3 ANTENNEN

Um Signale empfangen bzw. senden zu können, benötigt man Antennen. Es existieren ungerichtete Antennen, bei der die Signale in alle Richtungen abgestrahlt werden, und gerichtete, bei der die Signale in einer Richtung mit einem bestimmten Abstrahlwinkel versendet bzw. empfangen werden.³ Gerichtete Antennen haben bei gleicher Sendeleistung, die meist in dB (Dezibel) bzw. mW (Milliwatt) angegeben wird, eine höhere Reichweite als ungerichtete bzw. omni-direktionale.⁴

1.4 FREQUENZ

Die Frequenz gibt die Anzahl der kompletten Schwingungen pro Sekunde in Hertz an. Folglich haben lange Wellen eine niedrigere Frequenz als kurze.⁵ Die zu vergebenen Frequenzbereiche sind knapp und müssen daher in einem Frequenznutzungsplan von der Regulierungsbehörde für Telekommunikation und Post geregelt werden.⁶

1.5 DUPLEXVERFAHREN

Grundsätzlich sind drei Arten der Nutzung einer Übertragungsstrecke möglich:

- im Simplex-Betrieb erfolgt die Übertragung in einer Richtung
- im Halbduplex-Betrieb erfolgt die Übertragung im Wechselverkehr der Richtung
- im Vollduplex-Betrieb erfolgt die Übertragung gleichzeitig in beide Richtungen

Aus den spezifischen Eigenschaften eines Funkkanals folgen jedoch vier verschiedene Duplexingvarianten. Beim FDD-Verfahren (Frequency Division Duplexing) haben Teilfrequenzbänder unterschiedliche Übertragungsrichtungen. Die Übertragungsrichtung beim TDDVerfahren (Time Division Duplexing) ändert sich nach einer gewissen Zeit innerhalb eines Teilfrequenzbandes. In dem CDD-Verfahren (Code Division Duplexing) belegen alle Benutzer denselben Frequenzbereich, jedoch wird das Nutzsignal für jeden Benutzer unterschiedlich codiert. Beim SDD-Verfahren (Space Division Duplexing) wird derselbe Frequenzbereich an unterschiedlichen Standorten verwendet. Dabei darf sich die Reichweite eines Standortes nicht mit der Reichweite eines anderen Standortes überschneiden.⁷

1.6 MEHRFACHZUGRIFF

Wobei sich Duplexing nur auf die Übertragungsrichtung bezieht, befasst sich Multiple Access mit der störungs- und verlustfreien Kommunikation. Da ein Funkkanal ein von vielen Mobilstationen gemeinsam genutztes Übertragungsmedium ist, müssen folglich Regelungen definiert werden.

1.6.1 FREQUENZMEHRFACHZUGRIFF

Durch Unterteilung des Frequenzspektrums können mehrere Verbindungen auf unterschiedlichen Frequenzen geführt werden. Die gängigere Bezeichnung lautet FDMA (Frequency Division Multiple Access).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: FDMA

HAUPTTEIL VIII

1.6.2 ZEITVIELFACHZUGRIFF

Beim Zeitvielfachzugriff TDMA (Time Division Multiple Access) erhalten die Mobilstationen für eine Verbindung eine Trägerfrequenz für eine gewisse Zeit.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: TDMA

1.6.3 CODEVIELFACHZUGRIFF

Es existieren zwei verschiedene Technologien beim Codevielfachzugriff bzw. Code Division Multiple Access (CDMA). Das Grundprinzip ist bei beiden gleich. Durch einen Code wird die gesamte zur Verfügung stehende Bandbreite genutzt (Spread Spektrum).⁸

Ein Frequenzband wird bei Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) in mehrere Kanäle gegliedert. Ein Kanal wird von einem Sender nur eine bestimmte Zeit lang in Anspruch genommen, danach wechselt der Sender zu einem anderen. Dem Empfänger muss selbstverständlich die Reihenfolge der vom Sender verwendeten Kanäle bzw. der Code (Hopping Sequenz) bekannt sein. FHSS ist eine Kombination aus FDMA und TDMA.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: CDMA/FHSS

Beim Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) wird ein schmalbandiges Signal durch ein PseudoNoise-Code in ein breitbandiges Signal umgewandelt und dauerhaft verwendet. Der Code muss dem Empfänger genauso wie bei FHSS bekannt sein.⁹

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: CDMA/DSSS

1.6.4 ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLEXING

Die Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) Technologie basiert auf das FDMAVerfahren. Die Bandbreite wird in mehrere Kanäle unterteilt, dadurch können mehrere Verbindungen auf unterschiedlichen Frequenzkanälen geführt werden. Bei OFDM ist der Abstand der Kanäle, die nebeneinander angelegt werden, so groß, dass sie sich nicht gegenseitig stören, d.h. man benötigt eine geringere Bandbreite als bei FDMA.¹⁰

1.6.5 RAUMVIELFACHZUGRIFF

Im Kapitel 1.3 haben wir Antennen und ihre Reichweite behandelt. Wenn man nun zwei Sender außerhalb ihrer Reichweite aufstellen würde, würde man SDMA (Space Division Multiple Access) betreiben. Die Signale könnten somit in beliebiger Zeit-, Frequenz- und Codekonstellation gesendet werden, ohne dass es zu Überschneidungen kommen würde.¹¹

1.7 MODULATION

Die Modulation befasst sich mit der Art und Weise der Bitstromübertragung. Bei digitalen Signalen verwendet man die Bezeichnung Umtastung. Aber im Rahmen der Studienarbeit sowohl bei digitalen als auch bei analogen Signalen die Bezeichnung Modulation verwendet. Hier wird generell zwischen drei Modulationsverfahren unterschieden: Amplituden-, Frequenz- und Phasenmodulation.

1.7.1 AMPLITUDENMODULATION

Bei der ASK (Amplitude Shift Keying) wird die Trägerfrequenz mit zwei verschiedenen Amplituden moduliert. Die eine Amplitude entspricht der logischen „0“ und die andere der logischen „1“.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: ASK

1.7.2 FREQUENZMODULATION

Bei der FSK (Frequency Shift Keying) werden den beiden Digitalwerten unterschiedliche Frequenzen zugeordnet. Der Digitalwert „0“ wird mit einer anderen Trägerfrequenz übertragen als der Digitalwert „1“, d.h. je nach Zustand des Nutzsignals („1“ oder „0“) wird eine andere Frequenz verwendet. Die Amplitude bleibt bei dieser Modulationsart gleich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: FSK

1.7.3 PHASENMODULATION

Bei PSK (Phase Shift Keying) werden den beiden digitalen Zustanden „0“ und „1“ zwei Phasen der Trägerfrequenz zugeordnet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: PSK

Bei PSK wird eine Trägerschwingung mit nur zwei Zuständen moduliert. Dies führt zu einem großen Bandbreitenbedarf und einer relativ geringen Datenrate. Um die Bandbreite besser zu nutzen und die Geschwindigkeit zu erhöhen, hat man diverse Verfahren entwickelt. Das QPSK-Verfahren (Quadrature Phase Shift Keying) z.B. verwendet vier anstatt zwei Phasen einer Trägerfrequenz.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: QPSK

Bei QAM (Quadrature Amplitude Modulation) wird sogar eine Kombination aus Phasen- und Amplitudenmodulation verwendet. Da zwei verschiedene Amplituden bei diesem Verfahren im Einsatz sind, kann man acht anstatt wie bisher vier Phasen-Amplituden-Zustände einer Trägerfrequenz unterscheiden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9: QAM

1.7.4 MINIMUM SHIFT KEYING

Wie man am Namen schon erkennen kann, kommen bei MSK (Minimum Shift Keying) keine Phasensprünge vor. Dieses Verfahren arbeitet wie das FSK-Verfahren mit zwei Trägerfrequenzen und das MSK-Signal entsteht durch die verschiedenen Kombinationen des Even- und Odd-Bits. Der Even- Bit startet immer mit einem „0“-Wert und danach nimmt er den Wert des sich an geraden Stellennummerierungen befindenden Bits an. Der Odd-Bit nimmt den Wert des sich an ungeraden Stellennummerierungen befindenden Bits an. Die Regeln, durch die das MSK-Signal erzeugt wird, lauten wie folgt:

[...]

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¹ Vgl. [3, S. 23 ]

² Vgl. [7, 3.1 F. 11]

³ Vgl. [1, S. 146]

⁴ Vgl. [4, S. 51]

⁵ Vgl. [7, 3.1 F. 5]

⁶ Siehe CD im Anhang: Frequenznutzungsplan (DIN 40015)⁷ Vgl. [6, S. 67]

⁸ Vgl. [6, S.71 ff.]

⁹ Vgl. [1, S. 35 ff.]

¹⁰ Vgl. [1, S. 58 ff.] und siehe Anhang: Abbildung 15

¹¹ Vgl. [6, 79 f]